劉宏亮

（河南能源新疆龜茲礦業(yè)有限公司，新疆 庫(kù)車 842000）

1 概況

新疆龜茲礦業(yè)礦井位于捷斯德里克向斜北翼，為一單斜構(gòu)造，傾角3°～20°。礦井A3 煤層A303 采煤工作面隨回采推進(jìn)，其北部A303 軌道運(yùn)輸順槽進(jìn)入鄰近A305 工作面實(shí)體煤段，進(jìn)而出現(xiàn)了靠近A303 軌道運(yùn)輸順槽的工作面機(jī)尾段頂板垮落步距和懸頂面積增大，其尾巷最大懸頂長(zhǎng)度18 m，垮落周期7～8 d，并由此導(dǎo)致工作面靠機(jī)尾段整體垮落滯后。在無(wú)外力干預(yù)的情況下，頂板懸露寬度達(dá)22 m，懸頂面積逾200 m2，危害極大。

A3 煤層直接頂為灰色中砂巖，平均厚度7 m，頂板完整，呈平行層理，裂隙不發(fā)育，局部有鼓包，成分以石英為主，含斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石及少量黑色礦物，容重為2.82 g/cm3，單向抗壓強(qiáng)度66～78 MPa，屬于堅(jiān)硬巖。井下綜采面布置結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 A303 采煤工作面布置示意圖

為尋求解決A303 采煤工作面端頭頂板大面積懸頂造成的頂板及其次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，礦井進(jìn)行了一系列試驗(yàn)探索，最終選擇了通過(guò)實(shí)施水力致裂改造頂板縫網(wǎng)技術(shù)弱化巖層結(jié)構(gòu)[1-5]，以達(dá)到采煤工作面頂板控制的目的。

2 水力致裂基本參數(shù)設(shè)計(jì)

水力致裂改造頂板縫網(wǎng)是通過(guò)對(duì)鉆孔注入高壓水，利用巖層原生裂隙、層理面等應(yīng)力弱面壓裂巖層，擴(kuò)大、延展縫網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的“定向”分層或切斷，破壞堅(jiān)硬頂板巖層結(jié)構(gòu)整體性，同時(shí)注水浸泡弱化頂板固有強(qiáng)度，以達(dá)到減少頂板初次和周期來(lái)壓步距、降低頂板應(yīng)力集中和來(lái)壓強(qiáng)度的目的。水力致裂工藝流程主要為“鉆、封、壓”三步。因此在實(shí)施水力致裂改造頂板縫網(wǎng)時(shí)，必須對(duì)注水致裂層位、注水壓力、注水鉆孔間距和時(shí)間等基本參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。

2.1 注水致裂層位

過(guò)高的注水層位將導(dǎo)致水力致裂效果減弱，起不到頂板弱化致冒的效果；過(guò)低的注水層位其致裂范圍有限。合適的注水層位應(yīng)在滿足注水致裂保壓效果的基礎(chǔ)上，可以充分填充采空區(qū)空間為宜，在設(shè)計(jì)中可以考慮利用巖層層理面增大注水致裂效果。

在選擇滿足注水保壓層位時(shí)，可以忽略小型的頂板原生裂隙，以避免人為形成的導(dǎo)水通道為主。在有錨索支護(hù)的圍巖中，應(yīng)避免此類孔隙造成的影響，應(yīng)至少留有800 mm 以上的保壓層。新疆龜茲礦業(yè)A3 煤層支護(hù)錨索長(zhǎng)度6.3 m，因此注水層位不應(yīng)低于7.1 m。而對(duì)于采空區(qū)空間填充則根據(jù)巖層漲碎率進(jìn)行計(jì)算，一般采用公式：

式中：Hm為選擇頂板水力致裂層位值，m；M為采煤工作面采高，m；C為采煤工作面綜合采出率，取93%；Km為頂板巖層漲碎系數(shù)，取1.38。

結(jié)合上述注水層位選取原則和計(jì)算結(jié)果，本次采煤工作面頂板注水致裂層位值宜選擇14 m。

2.2 注水壓力

水力致裂的機(jī)理之一是通過(guò)對(duì)鉆孔注入高壓水壓裂巖層，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的定向分層或切斷，其實(shí)質(zhì)是利用大于巖體抗拉強(qiáng)度和巖體應(yīng)力之和的注水壓力，實(shí)現(xiàn)破壞堅(jiān)硬頂板巖層結(jié)構(gòu)整體性的目的。因此在設(shè)計(jì)注水壓力時(shí)，需對(duì)頂板巖體的一般物理性質(zhì)參數(shù)和巖體的賦存狀態(tài)有充分的了解并加以應(yīng)用，據(jù)此設(shè)計(jì)注水壓力：

式中：P為設(shè)計(jì)注水壓力值，MPa；k為供液系數(shù)，取1.5；Px為巖體應(yīng)力，取5.1 MPa；R為巖石極限抗拉強(qiáng)度，取6.8 MPa。

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果應(yīng)作為注水壓裂的最低值和泵站選型的依據(jù)，實(shí)際注水致裂操作中，應(yīng)大于該注水壓裂，根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證取18.8 MPa。

2.3 注水鉆孔間距和時(shí)間

由于各類巖體賦存條件差異較大，因此在進(jìn)行注水致裂鉆孔和時(shí)間設(shè)計(jì)時(shí)，在同一煤層相似條件下的工程試驗(yàn)是最準(zhǔn)確的方法。首先以4 m、5 m、6 m 為間距進(jìn)行單孔單段間隔注水致裂試驗(yàn)，并記錄連續(xù)壓力變化情況和相應(yīng)的時(shí)間。其水力壓裂曲線如圖2。

圖2 注水孔水力致裂曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓裂開(kāi)始時(shí)，水壓增加較快，鉆孔壁開(kāi)裂時(shí)水壓通常較高約18 MPa，隨后壓裂稍微下降，以15 MPa 穩(wěn)定水壓開(kāi)始?jí)毫?，說(shuō)明頂板整體性好，裂縫不發(fā)育。大約15 min 后，壓裂區(qū)域附近鉆孔及錨索孔開(kāi)始淋水并逐漸增大，待相鄰鉆孔開(kāi)始淋水且壓裂區(qū)域錨索普遍淋水時(shí)，說(shuō)明壓裂半徑至少＞10 m，相鄰鉆孔已貫通，此時(shí)停止壓裂。

注水鉆孔是外部水壓與巖體縫網(wǎng)聯(lián)系的通道，所有改造裂隙的形成均是以注水鉆孔為軸心向四周逐步發(fā)散，并最終形成根系狀縫網(wǎng)。在選擇注水鉆孔間距時(shí)，過(guò)大的間距不利于形成巖體相互導(dǎo)通的縫網(wǎng)，過(guò)小的間距不利于注水保壓，同時(shí)將大大增加“鉆、封、壓”等相關(guān)工作量。

3 水力致裂改造頂板縫網(wǎng)方案確定

使用CMS-4000/55 型礦用深孔鉆車配合Φ85 mm 鉆頭施工水力致裂注水孔。A303 軌道運(yùn)輸順槽頂板水力壓裂鉆孔由最后一排頂板斷裂孔向外5.9 m 開(kāi)始施工，以兩列分別布置在巷道中心線上（Sx孔）和巷道中心線偏回采幫1.1 m 位置（Bx 孔）。其中Sx 孔與巷道夾角0°，終孔朝向工作面采空區(qū)方向，深度16.3 m，孔間距5 m，平面仰角59°；Bx 孔與巷道夾角38°，終孔朝向工作面采空區(qū)偏工作面方向，深度19.9 m，孔間距5 m，平面仰角45°；Sx 孔與Bx 孔沿巷道走向交替錯(cuò)位布置，錯(cuò)距2.5 m。

水力致裂由工作面超前向外開(kāi)始逐孔施工，單孔壓裂按5 段進(jìn)行，單段注水長(zhǎng)度1.5 m，其中S1-x 孔一段注水位置14.8～13.3 m、二段注水位置11.8～10.3 m、三段注水位置8.8～7.3 m、四段注水位置5.8～4.3 m、五段注水位置3～1.5 m；B1-x 孔一段注水位置18.4～16.9 m、二段注水位置13.9～12.4 m、三段注水位置9.4～7.9 m 四段注水位置5.9～4.4 m、五段注水位置3～1.5 m。

注水壓裂過(guò)程中觀察注水壓力變化和相鄰S1孔出水及周邊錨桿錨索孔情況并記錄。按上述方法依次完成注水壓裂，并記錄不同注水壓裂孔水壓、出水、注水時(shí)間等情況。井下水力致裂改造頂板縫網(wǎng)鉆孔及注水設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 A303 軌道運(yùn)輸順槽頂板水力致裂改造頂板縫網(wǎng)鉆孔及注水設(shè)計(jì)（m）

注水致裂供水壓力18 MPa，如注水壓力達(dá)到25 MPa 仍未壓裂，則采用間歇性注水方式保持30 min，期間專人觀察注水管路壓力表和附近頂板及淋水等情況；注水壓力小于18 MPa 并保持穩(wěn)定時(shí)，則進(jìn)行持續(xù)注水，保持時(shí)間不小于30 min。一段壓裂結(jié)束，通過(guò)拆卸底部連接桿方式將封孔器、連接桿等孔內(nèi)外移，依次進(jìn)行第二段、三段、四段、五段注水壓裂。

4 應(yīng)用效果及分析

實(shí)施設(shè)計(jì)注水致裂改造頂板縫網(wǎng)措施后，9 月11 日9：20，工作面機(jī)尾段頂板出現(xiàn)第一次垮落；9 月14 日10：10，工作面機(jī)尾段頂板第二次垮落，垮落步距6 m；9 月17 日17：45，工作面機(jī)尾段頂板第三次垮落，垮落步距8.4 m；9 月20 日17：20，工作面機(jī)尾段頂板第四次垮落，垮落步距6 m。工作面機(jī)尾段垮落周期趨于持續(xù)穩(wěn)定，且垮落周期間伴隨規(guī)律性頂煤垮落和小型頂板垮落。

綜上所述頂板垮落情況和工作阻力變化分析，采用水力致裂改造頂板縫網(wǎng)方式弱化A303 回采工作面機(jī)尾段頂板可以有效促進(jìn)小步距周期性垮落，頂板垮落步距6～8.4 m 左右，比優(yōu)化前降低了66.4%?？迓渲芷?～3.5 d；通過(guò)8 月份和9 月份同期（實(shí)施水力致裂改造頂板縫網(wǎng)前后）監(jiān)測(cè)的工作面機(jī)尾區(qū)域平均工作阻力數(shù)據(jù)對(duì)比，可知頂板水力致裂在減小工作面周期來(lái)壓步距的同時(shí)，支架工作阻力峰值平均降低了約12.5%，對(duì)工作面液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定和支架承載能力有積極的作用。井下監(jiān)測(cè)情況如圖4。

圖4 A303 回采工作面機(jī)尾區(qū)域2022 年8、9 月同期日平均工作阻力

A303 軌道運(yùn)輸順槽采用水力致裂改造頂板縫網(wǎng)方式弱化頂板后，極大地縮短了尾巷頂板懸露長(zhǎng)度，減小了工作面機(jī)尾段采空區(qū)頂板的懸頂面積，杜絕了大面積懸頂垮落情況。因此，認(rèn)為該方式弱化頂板不僅有效解決了機(jī)尾懸頂面積過(guò)大造成的頂板大面積垮落形成風(fēng)暴損傷人員的風(fēng)險(xiǎn)，而且縮短了頂煤垮落步距，極大地提高了工作面放頂煤效率和刀煤放煤量。

5 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)本次應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程和效果分析，本文中提到采用的水力致裂基本參數(shù)選取方法和思路具有一定的參考價(jià)值，可作為水力致裂頂板形成縫網(wǎng)的普適計(jì)算方法。

2）水力致裂技術(shù)可以通過(guò)鉆孔、注水、憋壓和造縫將堅(jiān)硬巖層切割為破碎巖體，降低巖體完整性，有效改變目標(biāo)巖體的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)可以通過(guò)水的浸泡起到軟化巖層強(qiáng)度和降低粉塵的作用。

3）該技術(shù)將頂板垮落步距降低66.4%，將工作阻力峰值平均降低了約12.5%，杜絕了大面積懸頂垮落情況，顯著提升了井下作業(yè)的安全性。